Lorsqu'un processus n'a pas toutes les ressources dont il a besoin pour s'exécuter, il est nécessaire de le bloquer en attendant que ces ressources soient disponibles. La figure 12.1 montre les différents états que peut prendre un processus, lorsqu'il existe. Lors de la création il est mis, en général, dans l'état bloqué, en attendant qu'il ait toutes les ressources dont il a besoin initialement. Sa destruction peut subvenir dans n'importe quel état à la suite d'une décision interne s'il est actif, ou externe s'il est dans un autre état. Dans ce cas, il faut récupérer toutes les ressources qu'il possédait. actif prêt bloqué 1 2 3 4
1 Le processus a besoin d'une ressource dont il ne dispose pas 2/3 Décision de l'allocateur du processeur
4 Sur intervention extérieure au processus, lors de l'allocation de la ressource
Fig. 12.1. Les principaux états d'un processus.
Il est assez naturel de considérer de façon particulière la ressource processeur physique. Pour le moment c'est encore une ressource chère, qu'il vaut mieux ne pas gaspiller. Par ailleurs il est inutile de la donner à un processus à qui il manque une autre ressource, puisque ce processus ne peut alors évoluer: le processeur ne pourrait que constater ce manque et attendre la disponibilité de cette ressource (c'est ce que l'on appelle l'attente active). C'est pourquoi on distingue trois états:
• l'état actif où le processus dispose de toutes les ressources dont il a besoin,
• l'état bloqué où le processus a besoin d'au moins une ressource autre que le processeur physique,
• l'état prêt où le processus dispose de toutes les ressources à l'exception du processeur physique.
La transition 1 survient lorsque, le processus étant actif, il exprime le besoin de disposer d'une nouvelle ressource. Cette expression peut être explicite, sous forme d'une demande au système, ou implicite, sous forme d'un accès à cette ressource non allouée. Le processus doit évidemment disposer du processeur pour pouvoir exprimer ce besoin. Il peut se faire que la transition vers l'état bloqué par manque de ressources, entraîne que le système lui retire d'autres ressources qu'il possédait, en plus de la ressource processeur physique, comme par exemple de la mémoire centrale. En général, on ne lui retire que des ressources chères, qu'il est relativement facile et peu coûteux de lui restituer ultérieurement, dans l'état où elles étaient au moment où on les lui a enlevées. Il est assez naturel de considérer de façon particulière la ressource processeur physique. L'état bloqué correspond alors au manque d'une ressource autre que le processeur physique, et l'état prêt correspond alors au manque de la seule ressource processeur.
La transition 4 est la conséquence d'un événement extérieur au processus. Celui-ci était bloqué en attente d'une ou plusieurs ressources. Lorsque le système constate qu'il a pu lui allouer toutes les ressources (autres que le processeur) dont il a besoin, il le fait passer dans l'état prêt. La disponibilité de la ressource attendue se présente, en général, sous l'une des deux formes suivantes: • C'est le résultat d'une action par un autre processus. Il peut s'agir de la libération de la ressource,
ou de la création de la ressource elle-même. Ainsi la fin d'exécution d'un processus crée la ressource événement attendue par son père.
• C'est le résultat d'une action extérieure. Il peut s'agir d'une interruption en provenance d'un
périphérique, par exemple, ou d'un événement déclenché par l'opérateur ou un utilisateur.
Les transitions 2 et 3 sont sous la responsabilité de la partie du système qui alloue le processeur physique. C'est à ce niveau que s'implante la notion de processeur virtuel dont nous avons déjà
Environnement physique
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parlé. Certains systèmes n'implantent pas la transition 2. Il s'ensuit que lorsqu'un processus est actif, il le reste jusqu'à ce qu'il soit terminé ou qu'il ait besoin d'une ressource qu'il n'a pas. L'allocation du processeur consiste alors à choisir un processus parmi les processus prêts, et à le faire passer dans l'état actif. Cela peut entraîner que les processus prêts peuvent attendre très longtemps pour devenir actif, si le choix a conduit à rendre actif un processus qui calcule sans exprimer le besoin de nouvelles ressources. Ceci peut être évité par le biais de la transition 2 qui doit être la conséquence d'une action extérieure au processus actif. C'est en général un des rôles attribués à l'interruption d'horloge de déclencher cette transition.
Il est important de noter que ces transitions ne sont pas instantanées, puisqu'il s'agit de ranger en mémoire l'état du processeur relatif à l'ancien processus actif, et de restituer l'état du processeur avec celui relatif au nouveau processus actif, une fois le choix de celui-ci effectué. L'exécution de ces transitions consomme du temps de processeur physique, qui n'est pas utilisé par les processus eux-mêmes. C'est ce que l'on appelle la déperdition (overhead) résultant de la gestion des processus. Tous les systèmes visent à réduire cette déperdition dans des limites raisonnables. C'est le prix à payer pour une meilleure fonctionnalité.
12.5. Conclusion
Un processus est l'entité dynamique qui correspond à l'exécution d'une suite d'instructions définie par le programme. Le processeur est l'entité qui exécute les instructions pour le compte du processus.
Lorsqu'un processus n'a pas le processeur, il ne peut évoluer, et son état doit être conservé en mémoire. Lorsqu'il a le processeur, son état évolue, et est représenté en partie par les registres du processeur.
Il peut y avoir un nombre fixe de processus dans un système, ou bien les processus peuvent être créés dynamiquement. Dans ce cas, l'ensemble des processus est structuré en arborescence suivant la relation créateur-créé.
La création d'un processus doit définir le programme qu'il doit exécuter, et le contexte initial de cette exécution. Sur Unix, le processus créé est une copie conforme du processus créateur.
Une ressource est une entité dont a besoin un processus à un instant donné pour s'exécuter. Elle est caractérisée, en particulier, par le nombre de processus qui peuvent l'utiliser au même moment. Ce nombre peut être illimité, et aucun contrôle n'est nécessaire lors de l'allocation.
Si le nombre de processus pouvant utiliser une ressource est borné, il faut contrôler lors de l'allocation que la borne n'est pas atteinte. Lorsque cette borne est égale à 1, on dit que la ressource est critique, et que les processus sont en exclusion mutuelle pour cette ressource.
Les ressources induisent trois états sur les processus: l'état actif lorsque le processus a toutes ses ressources, l'état prêt lorsque le processus a toutes ses ressources sauf le processeur et l'état bloqué lorsqu'il lui manque des ressources autres que le processeur.
Le passage de l'état actif à l'état bloqué est en général volontaire, ou à la suite d'une réquisition. Le passage de l'état bloqué à l'état prêt est dû à une action externe au processus.
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Synchronisation et communication entre
processus
Nous avons déjà dit que, si les processus étaient des entités autonomes et indépendantes, ils pouvaient se trouver en conflit pour l'accès à certaines ressources communes. Ceci nécessite la mise en œuvre de mécanismes dits de synchronisation pour gérer ces conflits. Par ailleurs, si les processus sont en général indépendants, cela ne doit pas interdire la communication. La conséquence de ces mécanismes est le blocage des processus en attente d'une ressource momentanément indisponible. Deux problèmes en découlent: l'interblocage et la famine.